本研究研究了在低溫條件下由金屬氧化物納米顆粒催化的石墨烯合成。選擇石油瀝青質作為碳源，而不是使用高純度前體。通過混合、加熱和分離程序制備瀝青質涂層納米粒子（CuO、Fe
2O
3和Al
2O
3），然后將其置于真空爐內進行石墨烯合成。CuO被確定為生成幾個微米級石墨烯片的有效催化劑，而其他兩種納米粒子未能催化反應。石墨烯通過拉曼和傅立葉變換紅外光譜以及掃描和透射電子顯微鏡進行表征。隨后進行了原位顯微鏡實驗以直接觀察 CuO上石墨烯的生長和收縮動力學。石墨烯生長動態的實時監測表明，石墨烯生長所需的反應溫度和時間都遠低于傳統化學氣相沉積方法。CuO 納米粒子在低溫（450℃）下作為石墨烯合成的基底，并在更高的溫度（800℃）下作為氧化劑，消耗新合成的片材。對石墨烯成核、瀝青質熱解以及碳骨架的運動和運輸進行了綜合分析，以解釋數據。
圖 1. 實驗裝置和反應步驟：(a) 在450℃真空爐中用于石墨烯合成的實驗裝置示意圖。 (b) 在TEM顯微鏡下石墨烯原位生長和收縮過程中隨時間的溫度控制。
圖2 不同階段材料的FTIR和拉曼光譜：（a）瀝青質包覆Fe
2O
3、CuO和Al
2O
3納米顆粒反應前的拉曼光譜；（b）瀝青質包覆Fe
2O
3、CuO和Al
2O
3納米顆粒反應后的拉曼光譜 , (c) 瀝青質包覆的CuO納米顆粒反應前后的FTIR光譜對比，以及 (d)產物純化前后的拉曼光譜對比。
圖 3. 瀝青質包覆的 CuO 納米顆粒的 SEM 圖像：（a）反應前和（b）反應后。
圖4. 反應物和產物的TEM顯微照片:(a)瀝青質包覆的CuO納米顆粒。(b- d)不同尺度的產物石墨烯層。(a)和(b)中的插圖分別顯示了瀝青質和石墨烯層的元素組成。
圖5. 石墨烯的TEM顯微照片:(a)六邊形石墨烯層的顯微照片，(b)石墨烯的快速傅立葉變換圖像。 (c，d)在不同位置觀察到的晶格條紋。
圖6. 不同時間步長(0-5.5s)下納米氧化銅上石墨烯的生長行為。
圖7.石墨烯片在不同時間步長(從0--14s)的收縮。
圖8. 石墨烯生長和收縮動力學: (a)石墨烯在450℃生長。(b)石墨烯在800℃收縮。插圖顯示了生長或收縮的方向。
圖9 .石墨烯的生長和收縮機制:(a)瀝青質熱解和石墨烯在CuO表面的合成，(b)CuO納米顆粒上的石墨烯層與捕獲的CO2氣體。 (c)石墨烯層的收縮。CuO納米粒子由藍色球體表示。根據鍵的類型，碳原子由不同灰度等級的球體表示。氧原子用紅色標出，而氫原子用綠色標出。 (b)中的CO2分子由圍繞分子的透明綠色球體表示。
相關科研成果由美國懷俄明大學Bingjun Zhang和Lin Jiang等人于2021發表在Industrial & Engineering Chemistry Research（https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01658）上。原文：Low-Temperature Graphene Growth and Shrinkage Dynamics from Petroleum Asphaltene on CuO Nanoparticle。
轉自《石墨烯雜志》 公眾號
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